阳极焙烧炉热平衡分析与数值模拟

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阳极焙烧炉热平衡分析与数值模拟

姚成军1 徐明厚2

1广东海洋大学工程学院广东湛江 524088

2华中科技大学煤燃烧国家重点实验室湖北武汉430074

摘要基于阳极焙烧炉的热工测试，本文通过热平衡计算给出了包括焙烧炉热收入、热支出等技术指标的计算结果。并采用计算燃烧学的原理和CFD软件对焙烧炉炉内的流动和燃烧过程进行了数值模拟计算，讨论了炉内温度场、流场的分布规律，分析了结构因素对焙烧炉内流动和燃烧分布的影响，以及焙烧炉在运行过程和生产管理方面存在的问题。

关键词热平衡；热收入；热支出；数值模拟；温度场；流场

焙烧是预焙阳极生产的一个重要工序，而焙烧炉又是该工序的关键设备。在焙烧阳极的过程中需要消耗大量的能量。近年来，由于能源的短缺及能源价格的持续上涨，节约能源就显得更为迫切，能耗的高低已成为衡量阳极焙烧炉技术先进性的最关键指标之一[1]。全国每年需用阳极制品2 00多万t，每吨阳极平均能耗为4．2 GJ，对于如此大的能源消耗，在能源紧张的今天，研究阳极焙烧炉的热平衡并采取节能措施，对于企业降低能耗提高企业经济效益有重要的意义。通过对阳极焙烧炉的热平衡测试，可以了解阳极焙烧炉的节能潜力和节能方向，为企业制定节能措施规划提供科学依据。

此外，对预焙阳极的生产质量而言，减小炉内气体的温差至关重要。因为炉内较大的温差会造成阳极产品内在结构和性能极不均匀，严重制约阳极在电解槽内的使用寿命[2]。为此，必须掌握影响炉内温度均匀分布的主要因素。由于炉内的过程复杂多变，本文采用相关的基本理论对燃油焙烧炉内的燃烧情况进行数学模拟计算。

1 研究对象

研究对象为我国某大型铝厂敞开式阳极焙烧炉火道加热段，该焙烧炉设计年产约65l00t预焙阳极，炉型为环形，炉子的结构性能见表1。每个火焰系统由1个鼓风架、2个燃烧架、和1个排烟架组成；1个火焰系统炉室的分配为4个自然预热炉室、2个加热炉室、4个冷却炉室。火道中每个炉室的尺寸为3520 mm×470mm×4230mm，每个炉室中有3个隔板，其尺寸均为220mm×470 mm×2800 mm。燃烧炉室底部安装有两个燃料喷口，从喷口喷人的重油量相同。图1为焙烧炉室的结构示意图。加热炉室负压为－55 Pa，火道尾部出口烟气温度为300℃。

在一个大气压下，以一个炉室为计算单位。生阳极炭块重730 kg，规格为1，470mm×665 mm×550 mm。每个炉室的装炉量为84块(2×6×7)生阳极。即每炉生阳极重84×730＝61，320 kg＝61．32 t。火焰周期为32小时，两个燃烧架。出炉量为61．32／32＝1．91625 t／h。

2 计算条件

2．1 热平衡计算条件

阳极的挥发份含量根据热重分析的数据为生阳极重量的9．2％(图2为阳极的热重曲线)，挥发份的热值为3．762×104 kJ／kg。如何使挥发份在火道内尽可能完全燃烧，是阳极焙烧炉节能最关键的因素之一。在焙烧过程中，挥发份一边析出，一边在负压的作用下进人火道燃烧。但挥发份燃烧要有2个基本条件：足够的氧气含量、火道内的温度达到挥发份的着火温度。由于阳极焙烧过程的工艺特殊性，其空气过剩系数较大(约3．0)，不存在挥发份燃烧氧气不够的问题。因此，要使挥发份进入火道时能够燃烧，只需要火道内温度超过其着火温度。当阳极炭块温度达到200—600℃时，挥发份大量析出，对应的火道温度只有400℃-800℃，而挥发份的着火温度为500—600℃，可见有相当部分的挥发份不能燃烧[3]。假设挥发份中有75％能够在火道中燃烧，则每炉阳极可产生挥发份61，320×0．092×0．75＝4，231．08 kg。挥发份燃烧热量为4，231．08×3．762×104／61，320＝2，595．78 MJ／t阳极。

炭素填充料是阳极焙烧品在焙烧过程中必须应用的材料，它有保证阳极焙烧质量、产品不氧化、料箱保温的多种功能［4］，但在整个加热过程中填充料的热量消耗很可观。由于填充焦烧损的计量比较困难，可以根据以下方法进行估算：一般填充焦的烧损在20－50 kg／t阳极的范围内，考虑到火道墙破损比较严重，填充焦的粒度较细，更易进入火道燃烧等因素，以45 kg／t的烧损量来计算。这样，每炉填充焦的烧损量为61．32×103×45＝2，759 kg，假设这2，759 kg烧损填充焦中，40％是在加热时燃烧的，60％是在冷却时燃烧的。焙烧生产过程中的填充料为冶金焦，其热值为33，983．4 kJ／kg。填充料燃烧热量为2，759×33，983．4×0．4／61．32＝611．6MJ/t阳极。

排烟架烟气温度在140－300℃之间，取平均值为235℃。在此温度下，烟气的Cp为1．106 kJ／kg℃，密度为0．702 kg／m3。试验测得边火道横墙处的烟气流速为8 m／s，中间火道为6 m／s。每炉填充焦用量可以进行估算：料箱的尺寸为3，320mm×810 mm×4，230 mm，料箱的体积减去阳极的体积及为填充焦填充的体积，此外还需考虑堆料时一般会高出炉面l00mm左右。这样，每炉填充焦用量为(4．32×0．81×3．32—12×1．47×0．55×0．665)×7×880＝31，819．57 kg。填充焦出炉时的平均温度为326℃。阳极出炉温度为250℃。

2．2 炉内数值模拟的数学模型

本文所采用的模型基于对气相的Euler处理和对液雾颗粒相的Lagrangean描述。喷雾液相模型包括油滴的运动、裂化、碰撞、蒸发等子模型。对重油燃烧进行模拟时，湍流流动过程应用广义牛顿粘性定律，气相的湍流流动采用k一￡模型，源项中加入了液相对气相的作用；液雾颗粒相的湍流流动采用随机轨道模型；湍流燃烧采用EBU—Arrhenius模型；采用基于对辐射强度输运方程直接求解的离散传播(DT)法计算炉内辐射传热。气相连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的通用形式为：

式中：Ф为求解变量；ГФ为广义扩散系数；ρ为密度；Vk为速度；Xk为k方向坐标；SФ为气相本身的源项，SФP为液雾相对气相作用的源项［5，6］。

在时间上选取一个工作周期的中间点(即第18个h时)进行计算。在计算中，对燃料喷口和空气人口采用速度入口边界条件，根据实炉运行参数的测量，空气进口速度为2．0m／s，温度为973 K，每个燃料喷口喷入的重油流量为0．00082 kg／s；对烟气出口采用压力出口的边界条件，烟气出口负压为－55 Pa；将火道中间的对称面设为对称性边界条件，在对称性边界上，除了法向速度之外，所有变量在对称性边界中没有通过对称面的扩散量。

模型化条件为：燃烧方式为即混即燃，燃料喷人速度均匀，空气进口速度均匀，炉底为绝热边界，炉墙为定温边界且采用第三类边界条件［5］。

3计算结果与分析

3．1 热平衡计算结果与分析

初步的热平衡计算结果列于表2和表3。由表2可看出，该焙烧炉的热耗是很大的，达到了7，345．6 MJ／t，是国外2，9124，820 MJ／t［4］的1—2倍。而炉子设计时的热耗为5．0×106 kJ／t生阳极(120万大卡／t生阳极)。热量支出中，排烟热损失是阳极焙烧炉的热消耗大项，达55％，热效率很低，这主要是由于该焙烧炉运行多年，火道墙破损较大，空气渗漏现象十分严重。漏人烟道的空气量大且烟气温度较高(达300℃)造成排烟损失很大。因此，减少烟道中的空气渗漏和降低烟气排tti温度对于提高热效率具有十分重要的意义。阳极表面结焦严重。阳极经焙烧后其表面粘结了大量的填充焦，给后处理带来困难。炉体散热是阳极焙烧炉热耗的另一大项，这部分热损失的节能潜力也很可观。

3．2 炉内流场、温度场数值模拟结果与分析

为了便于分析，在空间上选取燃烧室宽度方向的中心面(即计算区域的对称面)的计算结果来进行说明。图3为炉内的流场速度矢量分布图。气流受三块隔板的导向，在炉室中形成“W”形流动，这种流动方式延长了高温烟气在炉内的行程，提高了传热效果和热效率。在炉室狭窄通道处的速度矢量相对其他位置的气流速度要高很多，由于气流惯性及隔板的阻碍作用，气流产生偏析现象，隔板的迎风面气流速度大，背风面气流速度小，从而在隔板的背风面出现旋涡回流区。这些区域由于流动缓慢，混合对流减弱，气流温度也会降低，不利于炉室内温度均匀分布。炉内三个隔板使气流的流动发生偏斜，并在几个死角区域产生回流，这些回流区域中的速度矢量值相对较低。

从图4的温度分布图中可以看到，炉内燃料燃烧主要集中在三个局部区域：两个隔板的左侧以及炉顶。部分从左边喷口喷人的燃料受空气人口进入的空气流速的影响，被直接从隔板顶部与炉顶之间开口处吹人炉顶中部，并与右边喷口喷人的燃料汇合，继续燃烧，因此炉顶部分的温度也较高。从整个炉室来看，前半部分的气流温度低于后半部分的温度，这是因为后半部分的气流已经经过前半部分燃料燃烧的加热。图中也可以看出炉内气流速度较高的区域中温度值也较高。这是因为速度较高的区域内气体对流传热效果明显。在炉子的底部死角区域，有较大的温度梯度［7］。

4 小结

通过热平衡计算与分析，我们得出结论：鼓风架的鼓风量不够，进入燃烧段的风量不足，导致烟道中含氧量经燃料燃烧后含量太低，不足以提供预热段挥发份燃烧所需。预热炉室火道的空气渗漏情况十分严重，这些渗人的空气大部分是从密封不严密的火道窥视孔渗入的，经由料箱进人的空气占少部分。运转时为减少空气的渗漏，需严格密封好火道盖板上的窥视孔。目前的火道墙砌筑方式对挥发份的逸出及为不利。挥发份挥发后，不能顺利地通过火道墙进入火道燃烧，只能附着在阳极表面，与由料箱渗入的空气燃烧，这样，大量的焦油、填充焦的燃烧必然会在阳极表面产生结焦，附着在阳极表面。这些结焦由于机械强度都比较大，

给阳极的后处理带来很大的困难。此外，由于挥发份燃烧的热量得不到充分利用，燃料消耗也随之增加。因此，火道墙砌筑时要预留3—6 mm的竖缝。

根据数值模拟的计算与分析，可以知道炉内存在一些气体回流区域，在炉底死角和隔板背风面附近区域的回流现象最为明显，这些回流会直接影响气体对流传热的效果，是温度分布不均匀的最根本原因，可以采取结构优化设计的办法来改善炉内的气流分布和温度分布。